生命科学的结构与研究方法课件.ppt

1、生命科學的結構與研究方法鄭先祐(Ayo)台南大學 環境與生態學院 教授http:/mail.nutn.edu.tw/hycheng 生命科學導論2生命科學的結構與研究方法n第一部 科學本体篇 Joy of Research Science as a way of knowing 摩登的陷阱n第二部 生命科學(生物學)的結構篇 生命科學的定義與內容 生命科學的結構n第三部 研究方法篇生命科學導論3第一部 科學本体篇the Joys of Research 研討會-Albert Einstein 誕生百年紀念nErnst Mayr 1926 獲得Ph.D.學位。1946 參與成立 the soci

2、ety for the study of Evolution.1947 出版Journal of Evolution.1953 獲得Alexander Agassiz Professorship in Zoology in Harvard University.1982 出版 The Growth of Biological Thought.生命科學導論4What is the Science?nA.Einstein:Science is the attempt to make the chaotic diversity of our sense-experience correspond t

3、o a logically uniform system of thought.nErnst Mayr:Science is not an accumulation of facts,rather science is the search for an understanding of the world around us.生命科學導論5第一部 科學本体篇n研究不只在puzzle solving，更重要的是在探求ultimate(演化上和歷史上)的問題。在這價值上，我們建立我們的生命哲學。這些問題的挑戰，使我們的生活更富有，也使我們更能瞭解人類生存的意義。生命科學導論6 Science a

4、s a way of knowing-XXX a project of the education committee of the American Society of Zoologists cosponsored by The American Society of Naturalists The Society for the Study of Evolution The Biological Sciences Curriculum Study The American Institute of Biological Sciences The American Association

5、for the Advancement of Science The Association for Biology Laboratory Education The National Association of Biology Teachers The Genetics Society of America 生命科學導論7ASZ的教育改善計劃n問題：美國科學教育的功能，有嚴重的下降趨勢。n原因：大學的科學教育太偏重片斷的知識，特別是摩登的知識。整体性與歷史性的科學架構，卻被忽略。學生因而沈溺在知識海中，無法認識過去，也無法推求未來。屈服於必要是摩登的誘惑。生命科學導論8ASZ的教育改善計劃

6、計劃：從1983年起，每年一個科目。探討這一個科目教學方法與內容。第一年計劃(1984)：Evolutionary Biology 第二年計劃(1985)：Human Ecology 第三年計劃(1986)：Genetics(遺傳學)第四年計畫(1987)：Developmental Biology 第五年計畫(1988)：Form and Function 第六年計畫(1989)：Cell and Molecular Biology 第七年計畫(1990)：Neurobiology and Behavior(1990-1991)=a conceptual framework for Biol

7、ogy生命科學導論9摩登(modern)的陷阱n這是一個知識爆炸的時代。n知識成長的速率 學習的速率。n每位教授都有能力，以新知識將學生沉溺於知識海中。生命科學導論10摩登(modern)的陷阱肇致的問題：n學生無能力獨立自主，開創未來。n就算緊跟新知識，其實已經是落後至少5-10年。n任何新知識都須要經過考驗。緊跟新知識，有可能是捕風捉影。npolywater 為例。生命科學導論11摩登的陷阱 1962 1964 1966 1968 1970 1972 1974 年 代 2 5102050100U.S.S.R(75)美國(227)其它國家(210)文獻數量(篇數)-知識的爆炸與學習速率。-p

8、olywater 為例圖表3.Polywater 研究過程與成果的整理。於1962年至1974年間，有關polywater的研究報告(文獻)之數量。前蘇聯、美國、及其它西方國家，各發表的篇數總合，列於其國名之後的括弧中。原資料取自Franks(1981),p.120。生命科學導論12Polywater 的研究報告nHaynes,J.M.and P.J.McElroy(1969)Anomalous water.Nature 224:393-394.nDonohue,J.(1969)Structure of“polywater”.Science 166:1000-1002.n(Anonymous)

9、(1969)Polywater.Scientific American 221:90-9nAllen,L.C.and P.A.Kollman(1970)A theory of anomalous water.Science 167:1443-1454.nAllen,L.C.and P.A.Kollman(1971)Theoretical evidence aganinst the existence of polywater.Nature 223:550-551.生命科學導論13檢討Polywater案件的文獻：nSchaffer,S.(1976)Polywater research and

10、pathological science.M.A.thesis,Harvard University.nFranks,F.(1981)Polywater.The Mit Press,nBranscomb,L.M.(1985)Integrity in Science.American Scientist 73(5):421-423生命科學導論14生命世界的組成架構生命世界的組成架構 -是無法切割的。-非of、by、for某個學科Emergent 特質(transcending processes)簡單 複雜 分 胞 細 組 器 系 個 族 群 生 生物 子 器 胞 織 官 統 體 群 落 態系

11、界生態學生理學行為學生命科學導論15化約主義(Reductionism)vs.整合主義(Holism)n物理學：探索宇宙最微小的粒子。n生物學：探索分子(基因)的生物學。掌握分子(基因)就掌握生命。生命科學就是分子生物學。n分子(基因)生物學 vs.生態學(emergent properties)生命科學導論16化約主義(Reductionism)vs.整合主義(Holism)化約主義化約主義n探索宇宙最微小的粒子(物理學)。n分子(基因)生物學n整合是過程，化約至極是目的。整合主義整合主義n複雜與混沌(物理學)nemergent properties(生態學)n化約是方法，整合是目的。生命科

12、學導論17化約主義的問題n1.化約原本是方法，不是目的。掌握分子(基因)就掌握生命，這是一種未被證實的信仰。n2.生命最小的單位是生物個体。n3.生命延續的最小單位是族群。n4.維持生命生活的最小功能單位是生態体系。n5.每個生命組成的位階，都有其emergent properties。生命科學導論18第二部 生命科學的結構篇生物學(Biology)的定義nBio+logy=以有生命之物為研究材料或對象。n研究與學習 生命各層次的形態與功能。n生物學的特質:地區性、特有性、歷史性、親緣性、與複雜性。生命科學導論19博物館與生物學的研究n博物館的收藏，於生物學的研究，具有根本的重要。n隨著生物學

13、的發展，博物館的標本館藏將會愈豐盛。n生物學的研究，都應盡可能的留下其研究使用的生物材料(存証)。生命科學導論20生物研究必要有存證的標本理由：n1.生命現象往往可能會因種而異。n2.使用的生物，其種類鑑定有可能會出錯。n3.同一種的生物，將來有可能會再分為若干種。n4.學名亦有可能被誤用，而可能於日後被更改。n5.若有標本的保留，才有可能考證其種類。生命科學導論21美國生物學的發展過程n資料來源：Rainger,R.,K.R.Benson,and J.Maienschein(eds.)(1988)The American Development of Biology.The Universi

14、ty of Pennsylvania Pressn目 錄n第一部 Natural History to Biology 1.Museums on Campus:A Tradition of Inquiry and Teaching-1868-1902,established on campuses。2.From Museum Research to Laboratory Research:The Transformation of Natural History into Academic Biology.生命科學導論22美國生物學的發展過程n第二部 Centers of Cooperatio

15、n 3.Organizing Biology:The American Society of Naturalists and its“Affiliated Societies”,1883-1923.4.Summer Report and Scientific Discipline:Woods Hole and the Structure of American Biology,1882-1925.5.Whitman at Chicago:Establishing a Chicago Style of Biology?生命科學導論23美國生物學的發展過程n第三部 Working at the B

16、oundaries of Biology 6.Charles Otis Whitman,Wallace Craig,and the Biological Study of Animal Behavior in the United States,1898-1925.7.Vertebrate Paleontology as Biology:Henry Fairfield Osborn and the American Museum of Natural History.8.Organism and Environment:Frederic Clementss Vision of a Unifie

17、d Physiological Ecology.9.Mendel in America:Theory and Practice,1900-1919 10.Cellular Politics:Ernest Everett Just,Richard B.Goldschmidt ant the Attempt to Reconcile Embryology and Genetics.生命科學導論24已知種類的大約數目生 物 界 與 種 類各類的之數目各界的總數目一、Animal Kingdom(動物界)Chordates(脊索動物類)Arthropods(節肢動物類)Molluscs(軟体動物類)E

18、chinoderms(棘皮動物類)Segmented worms(環節動物類)Flatworms(扁形動物類)Nematodes and relatives(線虫類)Coelenterates(腔腸動物類)Bryozoans and relatives(苔癬動物類)Sponges(海綿動物類)miscellaneous small groups(其他類)43,000 838,000 107,250 6,000 8,500 12,700 12,500 5,300 3,750 4,800 2,100 1,043,900二、Plant Kingdom(植物界)Fowering plants(顯花植物

19、類)Gymnosperms(裸子植物類)Ferns and fern allies(厥類)Bryophytes(苔蘚類)Green algae(綠藻類)Brown and red algae(紅褐藻類)286,000 640 10,000 23,000 5,280 3,400 328,320三、Fungus Kingdom(真菌類)True fungi(真菌類)Slime molds(黏菌類)40,000 400 40,400四、Protistan Kingdom(原生物類)Protozoans,plant flagellates,distoms 30,000 30,000五、Moneran

20、Kingdom(原核類)Blue-green algae(藍綠藻)Bacteria(細菌類)1,400 1,630 3,030六、Virus(病毒類)200總總 計計 1,445,850表6.地球上各界與各類生物的已知種類的大約數目。資料摘譯自Stiling(1992),p.18。生命科學導論25 Species 分 類 位 階 Phylum 0%100%百分率(%)陸域海域圖7.於各個分類位階，陸域與海域生態体系的龐雜度之比較。資料取自Ray(1985)Amer.Zool.,24:452-468。生命科學導論26生命科學的內容n個體是生命的基本單位，但族群才能延續生命，且群落才能維持生活。n

21、生物學的時間與空間(圖8)。n生物組成與分類的位階(圖9)。n生命的延續(基因型與表現型)(圖10)。生命科學導論27 1A -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 1 微秒 1 分 1 天 1 年 1百萬年 時 間 的 量 度-10-8-6-4-2021m1mm1um4681km小分子蛋白質病毒生物体生物体胞器細胞原生物無脊椎動物小型生物大型生物地球：生物界台灣生態空 間 的 量 度生物學圖8.生物學的時間與空間的範圍。中間方形區是指生物個体的生物學。時間量度以年為單位；空間則以公尺為單位。基本資料取自Kohn(1989),p.1096。生命科學導論

22、28組成的位階組成的位階 Biosphere 分類的位階分類的位階 Ecosystem Clade 複雜複雜 Community Species Population Deme Organism Organism Organ System Organ Tissue Cell Organelle Macromolecule-gene Molecule 簡單簡單圖9.生物的組成與分類的位階。clade 包含：種以上的各個分類位階。原資料摘取自Kohn(1989),p.1097。生命科學導論29 Phenotype space P2 P2 t2 t2 P1 P1 t1 t3 t1 t3 t“1Gen

23、otype space G2 G2 t4 t4 G1 G1 G“1圖表10.一般生命的延續過程。生命起自基因型(genotype,受精卵,G1)，經過t1時間，發展成個体(表現型，phenotype，P1)；再經過t2時間發展成為成熟的個體(P2)，經過t3時間產生配子(精子或卵子，G2)；再經過t4時間結合成受精卵(G1)，另一個新生命的開始，進入另一個循環。生命科學導論30生命科學的結構n二元結構：生物材料 與 組成的位階(圖11)。生物學的根基：演化學、分類學、親緣遺傳學。整合的生物學：社區生物學、生態体係生物學。n-深淺結構生命科學導論31 整合的生物學 -生態体系生物學 -群落(社區

24、)生物學 族群生物學 個体生物學 生理與解剖學 組織生物學 細胞生物學 分子生物學 系統分類學 親緣遺傳學 演化生物學植物界真菌界原生物原核類病毒類動物界生物學的根基圖11.生物學的結構。生命科學導論32生命科學的結構n傳統的入門與發展之道：垂直切割。選擇材料，熟悉材料。分類學、形態學(解剖學與組織學)、生理學、自然歷史學、地理學。昆虫學者、蕨類學者、鳥類學者、蝶類學者、.。生命科學導論33DNA 結構的發現nDNA is the molecule of heredity.nWatson and Crick*In 1953,they published their double helix m

25、odel for DNA。*did no experiments。*they spent their time thinking about DNA。*Pauling graciously congratulated Watson and Crick。nIn 1962,awarded Nobel Prize。生命科學導論34DNA 結構的發現nDouble helix 的力量:改變生物學傳統的入門與發展之道。傳統的領域已面臨發展的瓶頸。DNA 與相關分子的研究,開啟新的天地。橫式切割:分子生物學與生態學的興起。生命科學導論351980年代以來的反省與批判nScience as a way of

26、 knowing-XXX 沈溺於知識海中，不知何去何從。片斷瑣碎,缺整體的認知。n現況：個体生物學成為棄嬰。傳統生物學的復興：功能形態學、系統分類學、發生(展)生物學,.。n新的整合：蜥蜴生態學、生物社會學、行為生態學、生理生態學、.。n注重長期與整合,並將橫式切割向垂直切割的方向作些調整。生命科學導論36圖12.Darwin 與 Einstein 要完成其個別研究的成果,他們各別提出的計劃書。按此計劃書的內容,於現代的國家研究補助的制度下,是否可通過審查。目的 This proposal is for the P.I.,a geologist bytraining,to solve the

27、problem of speciation.方法 Collect every possible fact and formulate anall-inclusive theory.時期 20 年。Proposal of C.Darwin生命科學導論37圖12.Darwin 與 Einstein 要完成其個別研究的成果,他們各別提出的計劃書。按此計劃書的內容,於現代的國家研究補助的制度下,是否可通過審查。目的 This proposal is for the study of the nature ofspace and time.方法 Conduct thought experiments i

28、n armchair,supported by abstract mathematics.時期 1 lifetime.Proposal of A.Einstein生命科學導論38 垃圾大戰垃圾大戰 的 大學教育大學教育n平時上課：教授丟垃圾，學生代表撿垃圾！平時上課：教授丟垃圾，學生代表撿垃圾！n考試前：圾圾考試前：圾圾copy，各自回家作垃圾分類！各自回家作垃圾分類！n進入考場：掃瞄垃圾場，傾倒垃圾！進入考場：掃瞄垃圾場，傾倒垃圾！n傾倒完畢，如釋重負！傾倒完畢，如釋重負！n清倒夫清倒夫 vs.拾荒者拾荒者 TIP 獨特的清倒夫能力！徹底的垃圾分類！捨得垃圾！生命科學導論39你個人的情況？你

29、個人的情況？n讀過多少本書讀過多少本書(完整的完整的)？n屈服於摩登的誘惑？屈服於摩登的誘惑？n知識間是否有矛盾？空白？有無問題？知識間是否有矛盾？空白？有無問題？n清倒夫？清倒夫？拾荒者？拾荒者？n企圖心？願景？企圖心？願景？nDarwin？Einstein？TIP 作禪打坐，靜思。捕捉剎那！生物學的結構與研究方法第三部 研究方法篇生命科學導論41第三部 研究方法篇兩大學派n1.Reductionism(化約主義)n2.Holistism(整合主義)三個基本原則n1.natural causality(自然成因)n2.uniformity in space and time(一致性)mon

30、perception(無個人間的差異)生命科學導論42典型的研究過程包含兩個階段:描述階段與功能(functional)階段。描述階段描述階段=功能階段功能階段=接受零假說測量與比較各種生態体系發覺有非逢機的差異提出可驗証的零假說設計並執行驗證的實驗 分析與驗証零假說 拒絕零假說生命科學導論43典型的研究過程功能階段功能階段=接受零假說推測其可能造成差異的原因對可能的因果關係,提出可驗証的零假說設計並執行驗証的實驗 分析與驗証零假說 拒絕零假說結論 提出因果互動關係的詮釋 按結論再提出新的描述或功能研究的問題 新的開始生命科學導論44兩種途徑與兩類因素n1.途徑：a posteriori(後成

31、式後成式)。n2.途徑：a priori(先驗式先驗式)。n1.因素：proximate(近因式近因式)。n2.因素：ultimate(極因式極因式)。生命科學導論45四種方向n1.功能功能 (functions)。n2.發展發展 (developments)。n3.地理地理 (geographical)。n4.演化歷史演化歷史 (evolutionary history)。生命科學導論46四種方向例子：雄性白頭翁為何在春天唱歌?n1.survival value：雄性白頭翁唱歌,吸引雌性而能完成生殖活動。n2.causation：因為光周期增長,致使其体內 hormone level 改變(

32、內因與外因)。n3.development：雄性白頭翁唱歌,因其發育成熟,及向父母或鄰居學習而來n4.evolutionary history：雄性白頭翁唱歌是如何由其祖先演變而來的。生命科學導論47研究的力量泉源1.整體結構的知識(基礎與能力的建立)。2.新知識的消化、整合與批判。3.自然材料的認知與体驗(知識與經驗，相輔相成)。4.執著，可忍受長期的無聊；等待與保握機緣。5.徹底瞭解某一領域，證明有研究能力，成為專家。6.同時亦要保持高度的自由，隨時有能力轉換研究主題(甚至是全新的)，以避免陷入象牙(專家)城堡。生命科學導論48問題與討論問題與討論1.追求摩登的知識，有何問題？為何說是一種陷阱？2.按你個人的情況，如何提升你個人的學習與研究的力量？Ayo 台南站 http:/mail.nutn.edu.tw/hycheng _/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/_/since 2006_/_/_/_/